工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)發(fā)展研究

高慧+鄧世凱

摘 要：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的編程系統(tǒng)決定了機(jī)器人工作站的工作質(zhì)量。在編程技術(shù)中，離線編程技術(shù)是高效、關(guān)鍵的編程方法。文章簡(jiǎn)要介紹了離線編程系統(tǒng)的主要組成部分，說(shuō)明工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)在生產(chǎn)加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，也是機(jī)器人開發(fā)和應(yīng)用的重要研究方向。

關(guān)鍵詞：離線編程；圖形仿真；二次開發(fā)

工業(yè)機(jī)器人在作業(yè)的時(shí)候如弧焊、切割、涂膠、打磨等，這些作業(yè)是通過(guò)連續(xù)軌跡來(lái)進(jìn)行操作控制的。正確完成這些作業(yè)就需要機(jī)器人能夠按照控制程序運(yùn)動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的控制程序需要通過(guò)以下方法去獲得指令：（1）在線編程；（2）離線編程。在線編程屬于比較快捷的，缺點(diǎn)是編程精度比較低，需要在工作現(xiàn)場(chǎng)，這樣無(wú)形之中占用了機(jī)器人的不少工作時(shí)間。離線編程不對(duì)實(shí)際作業(yè)的機(jī)器人進(jìn)行直接的控制，機(jī)器人是在我們?cè)O(shè)置好的虛擬環(huán)境下作業(yè)，生成示教數(shù)據(jù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的CAD模型編輯的，屬于間接地對(duì)作業(yè)的機(jī)器人進(jìn)行示教。示教結(jié)果可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，從而確定機(jī)器人是否按人們期望的方式運(yùn)動(dòng)。如果需要精度高的軌跡作業(yè)，離線編程是最優(yōu)的機(jī)器人離線編程的方法，這種機(jī)器人的編程更加優(yōu)化、對(duì)編程結(jié)果的觀察更加直觀、干涉與碰撞檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃更加復(fù)雜、工作效率更高，所以已經(jīng)吸引到更多人的注意，并已經(jīng)成為現(xiàn)在機(jī)器人學(xué)術(shù)研究中十分活躍的一個(gè)研究方向。所以為了更好地提升機(jī)器人作業(yè)的水平，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)離線編程技術(shù)的應(yīng)用與研究工作。

1 離線編程概述

機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)就是對(duì)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成果的利用，從而創(chuàng)建出機(jī)器人以及機(jī)器人所工作環(huán)境下的幾何模型，并對(duì)規(guī)劃算法加以利用，再對(duì)圖形進(jìn)行操作與控制，在離線的時(shí)候?qū)ζ滠壽E進(jìn)行規(guī)劃。編程完成后再對(duì)其進(jìn)行三維圖形的動(dòng)畫仿真，從而對(duì)所編程序的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通過(guò)后再把代碼傳送至機(jī)器人的控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人加以控制，從而完成任務(wù)。

這一系統(tǒng)可以使機(jī)器人的安全性得到增強(qiáng)，并降低成本，使機(jī)器人工作的時(shí)間得到增加。它也是機(jī)器人編程語(yǔ)言的一種拓展，通過(guò)此系統(tǒng)可以使CAM/CAD與機(jī)器人之間建立起相應(yīng)的聯(lián)系。

別外，這一系統(tǒng)是在機(jī)器人系統(tǒng)中圖形模型的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬的情況下來(lái)完成編程，所以為了讓編程的結(jié)果可以更加符合實(shí)際，系統(tǒng)可以自行計(jì)算出實(shí)際模型與仿真模型間所存在的誤差，并使兩者的誤差盡可能減少。

2 離線編程系統(tǒng)的組成與研究情況

這一系統(tǒng)不只是在計(jì)算機(jī)上對(duì)系統(tǒng)中物理模型的建立，同時(shí)也應(yīng)對(duì)它進(jìn)行動(dòng)畫仿真與編程，并對(duì)編程的結(jié)果進(jìn)行后置處理。在這一系統(tǒng)的編程中主要包含下面這些主要模塊：人機(jī)界面、圖形仿真、離線編程、系統(tǒng)建模、傳感器。

2.1 對(duì)仿真技術(shù)進(jìn)行研究

在試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、研制機(jī)器人的時(shí)候，應(yīng)分析動(dòng)力學(xué)性能與運(yùn)動(dòng)學(xué)，并設(shè)計(jì)、規(guī)劃出運(yùn)行軌跡，但是由于機(jī)器人的多連桿空間、多自由度的特性，使它的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)更加復(fù)雜，導(dǎo)致其計(jì)算量與計(jì)算難度更加巨大。比如仿真對(duì)象為機(jī)械手的時(shí)候，通過(guò)對(duì)機(jī)器人學(xué)理念與計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的應(yīng)用，在計(jì)算機(jī)中以動(dòng)畫的形式將幾何圖形顯示出來(lái)，再通過(guò)分析其中的運(yùn)動(dòng)學(xué)反正解與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)操作臂的控制及在工作的實(shí)際環(huán)境中干涉碰撞與避讓障礙等問(wèn)題的仿真模擬，可以有效地對(duì)機(jī)械手研發(fā)時(shí)所出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行解決。

已有的仿真軟件種類多樣，功能各有差異，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中有許多應(yīng)用開發(fā)的例子。

無(wú)論基于何種開發(fā)平臺(tái)，模型建立的合理性是影響實(shí)踐效果的關(guān)鍵因素，又由于通過(guò)軟件所存數(shù)據(jù)與機(jī)器人理念的參數(shù)構(gòu)建出的模型與實(shí)際的模型會(huì)存在一定的誤差，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)誤差進(jìn)行分析與測(cè)量，對(duì)所建的模型誤差不斷進(jìn)行校正。因?yàn)闄C(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷增加，其作業(yè)環(huán)境帶來(lái)的不確定性對(duì)于其對(duì)作業(yè)任務(wù)的完成帶來(lái)了非常重要的影響，所以其環(huán)境的模型并不是固定的，固定的環(huán)境模型很容易致使作業(yè)失敗。所以對(duì)于環(huán)境不確定性的抽取，并對(duì)環(huán)境模型進(jìn)行修改，是這一系統(tǒng)在實(shí)用化過(guò)程中所遇到的一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。

2.2 圖形仿真

能夠在離線的情況下對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試是離線編程中一個(gè)十分重要的部分，然而離線調(diào)試最為有效直觀的方式是通過(guò)圖形仿真對(duì)機(jī)器人作業(yè)程序進(jìn)行模擬，它可以在不接觸實(shí)際工作環(huán)境與機(jī)器人的情況下為機(jī)器人交互作用提供一個(gè)虛擬的環(huán)境。離線編程中一個(gè)重要的組成部分就是圖形仿真，它可以通過(guò)圖形的方式將仿真結(jié)果展示出來(lái)，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的狀況顯示更加直觀，所以可以分析出很多在數(shù)據(jù)曲線中很難顯示的信息。在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，在Windows系統(tǒng)中可以很簡(jiǎn)便地將三維圖形進(jìn)行處理，在此基礎(chǔ)上可以很好地使動(dòng)態(tài)模擬圖的仿真與任務(wù)的規(guī)劃得到完成。大多數(shù)時(shí)候通過(guò)離線編程來(lái)完成作業(yè)編制的任務(wù)，再通過(guò)編譯連接生成仿真文件。在仿真模塊中，系統(tǒng)會(huì)將執(zhí)行控制仿真文件代碼進(jìn)行解釋，使路徑與任務(wù)的規(guī)劃結(jié)果完成三維動(dòng)畫圖形仿真，使作業(yè)完成的情況得到模擬，從而使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡合理性與碰撞發(fā)生的可能性得到檢查，并計(jì)算出機(jī)器人在整個(gè)工作與每個(gè)工步中所用的時(shí)間，使離線編程的結(jié)果的可行性得到一個(gè)重要的參考。

2.3 編程

編程模塊可分為：編制任務(wù)程序、求解未知矩陣、建立變換方程、機(jī)器人作業(yè)任務(wù)描述等。根據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)圖形仿真結(jié)果中程序所存在問(wèn)題的適當(dāng)修正，從而達(dá)到一個(gè)滿意的效果后，使機(jī)器人可以在線控制以完成操作。機(jī)器人編程的最理想目標(biāo)是使用最適合的類似自然的語(yǔ)言對(duì)機(jī)器人的作業(yè)來(lái)進(jìn)行描述。通過(guò)機(jī)器人的智能設(shè)施得到環(huán)境信息，并完成運(yùn)動(dòng)與任務(wù)的規(guī)劃，從而使機(jī)器人在作業(yè)中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。離線編程的編程語(yǔ)言將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與幾何特性能通過(guò)一個(gè)通用接口封裝成一體，通過(guò)這一接口可以很好地與包括傳感器在內(nèi)的各種對(duì)象打交道。因?yàn)檫@一語(yǔ)言可以對(duì)幾何信息進(jìn)行直接操作，并具備一定的空間推理能力，所以它可以簡(jiǎn)便地完成編程與自動(dòng)規(guī)劃。這是離線編程技術(shù)的一大提升。

2.4 傳感器

在機(jī)器人技術(shù)高速發(fā)展的今天，在機(jī)器人作業(yè)中傳感器的作用越來(lái)越明顯，在離線編程中對(duì)傳感器加以仿真已經(jīng)成為不可或缺的一部分，而且也是其可以實(shí)用化的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)傳感器信息的利用可以使實(shí)際模型與仿真模型的誤差減少，程序與操作的可靠性得到增強(qiáng)，編程的效率也會(huì)得到提高。在帶有傳感器的機(jī)器人系統(tǒng)中，因?yàn)閭鞲衅魉a(chǎn)生信號(hào)會(huì)被運(yùn)動(dòng)時(shí)不平衡性、物體的幾何形狀、物理反射率、光線條件等因素干擾，使得其運(yùn)動(dòng)不便進(jìn)行預(yù)測(cè)，所以在離線編程時(shí)傳感器應(yīng)當(dāng)建模，對(duì)傳感器作業(yè)任務(wù)加以仿真。

2.5 后置處理

它的任務(wù)主要就是將離線編程的源程序編譯成為機(jī)器人可以識(shí)別出的目標(biāo)程序。就是仿真作業(yè)程序可以完成作業(yè)要求后，把這一程序轉(zhuǎn)變成為機(jī)器人的數(shù)據(jù)與控制程序，再經(jīng)過(guò)通信接口將程序加載成為機(jī)器人的控制系統(tǒng)，使機(jī)器人可以完成指定任務(wù)。因?yàn)闄C(jī)器人的控制柜存在多樣性，所以想將通信模塊設(shè)計(jì)成為通用的十分困難，所以大多會(huì)采取后置處理的方式把離線編程出的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人的控制柜能夠讀取的代碼，使加工文件可以實(shí)現(xiàn)下載與上傳。在離線編程的時(shí)候，機(jī)器人的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)與仿真的數(shù)據(jù)是不完全相同的。因此，在離線編程中會(huì)生成兩套不同的數(shù)據(jù)：一套為控制系統(tǒng)服務(wù)；一套為仿真系統(tǒng)服務(wù)，這兩套數(shù)據(jù)都是后置處理來(lái)完成的。

3 離線編程技術(shù)的結(jié)論與展望

對(duì)工業(yè)化機(jī)器人應(yīng)用推廣與提高工作效率的意義非常重要，這一技術(shù)可以節(jié)約大幅制造時(shí)間，使計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真性得到實(shí)現(xiàn)，使機(jī)器人的調(diào)試與編程環(huán)境更加靈活安全。工業(yè)化機(jī)器人因?yàn)槠浒踩?、高效性使體力勞動(dòng)得到了替代，使作業(yè)質(zhì)量與自動(dòng)化技術(shù)得到提升，將來(lái)這一技術(shù)會(huì)在各種生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量與實(shí)用功能是由編程能力所決定的，這一技術(shù)正是使作業(yè)質(zhì)量得到保證的關(guān)鍵。

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)愿意借用離線編程技術(shù)來(lái)提高加工生產(chǎn)速率，以獲得更大的酬勞分配。鑒于已有的工業(yè)應(yīng)用，本文分析了離線編程技術(shù)幾個(gè)重要組成部分的發(fā)展，可以得到以下結(jié)論：

（1）已有的仿真軟件能夠?yàn)橄到y(tǒng)建模提供更合適的平臺(tái)，但是模型建立的合理性是決定開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)用與否的關(guān)鍵因素；（2）可以采用高級(jí)語(yǔ)言，比如VC++，描述機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程，提高系統(tǒng)作業(yè)的精確性及可控制性；（3）隨著加工次序的復(fù)雜、生產(chǎn)精度要求的提高，需要更加靈敏的傳感器以實(shí)現(xiàn)指令的傳動(dòng)，提高加工質(zhì)量。